▲ 한국전자전에서 프로토텍 컨소시엄이 제작한 CNF(셀룰로오스 나노파이버) 필라멘트와 이를 FDM 3D프린터로 출력한 샘플이 소개됐다.

3D프린터 사용 시 발생할 수 있는 유해물질을 저감하면서 강도도 확보한 친환경 CNF(셀룰로오스 나노파이버) 필라멘트가 상용화를 앞두고 있다. 내년 조달시장을 통해 구입이 가능해지면 3D프린팅 안전성 개선과 함께 사용 확대에 기여할 전망이다.

3D프린팅 토털 솔루션 기업 프로토텍(대표 신상묵)은 지난 10월24일부터 27일까지 서울 코엑스에서 개최된 ‘한국전자전’에 부스를 마련하고 CNF(셀룰로오스 나노파이버) 필라멘트와 FDM 3D프린터로 출력한 샘플을 선보였다.

3D프린팅은 소재(필라멘트)에 따라 200~260℃에 이르는 고열이 가해지는 작업 과정에서 미세입자 및 휘발성 유기화합물(VOC)이 방출될 수 있다. 이에 정부는 최근 3D프린팅 이용자가 유해물질 방출이 적은 장비·소재를 안전한 방법으로 이용할 수 있는 작업 환경 조성을 위해 ‘3D프린팅 안전 강화대책’을 발표하고 3D프린팅 안전 이용 가이드라인도 만들었다.

이의 일환으로 산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원(KEIT)은 2022년도 3D프린팅 융합실증 기술개발 과제를 통해 ‘유해물질 방출 저감을 위한 친환경 CNF 복합 필라멘트 개발 및 3D프린팅 적용 융합 실증 기술 개발’(22년 7월~24년 12월)을 지원하고 있다.

해당 과제는 친환경적인 CNF를 복합화해 물성을 보강한 필라멘트를 개발하고 이를 현재 보급형 개방식 FDM 3D프린터를 주로 사용하는 교육기관 및 공공단체 등에서 활용할 수 있도록 공정을 개발하는 것이 목표다. 프로토텍이 주관기관을 맡았으며 한국섬유기계융합연구원, 알앤에프케미칼, 경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원, 한국건설생활환경시험연구원, 3D융합산업협회 등이 참여 중이다.

컨소시엄이 개발 중인 CNF 필라멘트는 유해인자 방출을 줄이기 위해 융점이 낮으면서 천연 펄프 기반으로 만들어지는 나노셀룰로오스를 원소재로 사용했다. 또한 저융점 소재가 가지는 취약한 물성을 극복하기 위해 첨가제를 적용한 복합재 형태로 개발한 것이 특징이다.

현재 학교에서 친환경 필라멘트로 널리 사용 중인 PLA 필라멘트 보다 물성은 높으면서 초미세먼지, VOC 등 유해물질 발생량은 낮추기 위한 연구개발이 한창이다. 그 성과도 나오고 있는데 실제로 CNF 필라멘트는 적층하는 과정에서 발생하는 VOC가 기존 소재대비 상당히 낮은 것으로 측정됐다.

컨소시엄은 내년말까지 CNF 파일럿 규모 제조기술 및 표면 개질 공정 개발과 개발 소재의 공정·제품·실증환경 유해요소 안전성 평가 등을 완료하고, 정부 조달시장을 통해 CNF 필라멘트를 상용화 하고 다양한 상품화를 추진할 계획이다.

▲ ▲한국전자전에서 프로토텍 컨소시엄이 제작한 CNF(셀룰로오스 나노파이버) 필라멘트로 3D프린팅한 샘플.

CNF 필라멘트의 공정 최적화 및 사업화를 담당하고 있는 프로토텍은 국내외 다양한 FDM 3D프린터에서 CNF 필라멘트가 제대로 출력 될 수 있도록 연구개발에 한창이다. 출력물이 제대로 나오려면 노즐·베드 온도, 압출 속도 및 재료 압출량 제어 등 고려해야할 파라미터가 다양하기 때문에 쉽지 않은 작업이다.

지난 2005년 설립된 프로토텍은 스트라타시스의 FDM 3D프린터 판매는 물론 5천개 이상 기업에 3D프린팅 부품 제작 서비스를 제공한 경험을 가지고 있어 컨소시엄 주관기관을 맡게 된 것이다. 이번 전시회에서 프로로텍은 그간 CNF 필라멘트로 출력한 우주선, 기어, 첨성대, 뼈 등 다양한 샘플을 선보이고 각각의 노즐·베드 온도와 재료 사용량, 출력시간 등을 공유함으로써 실력을 입증했다.

신상묵 프로토텍 대표는 “이번 기술개발이 가지는 의미는 3D프린터에 대한 전문지식이 없는 대중들도 안전하면서 만족스럽게 3D프린팅을 체험하는데 필요한 소재를 국산화한 것”이라며 “보다 많은 장비에서 안정적으로 출력이 가능하도록 공정을 확보함으로써 국내외 3D프린팅 시장 확대에 기여하겠다”고 밝혔다.